APLIKASI MEKANIKA FLUIDA ALIRAN TURBULENSI

Jika pengolahannya tidak dilakukan secara baik. Hal ini lebih terfokus pada sistem instalasi pengairan atau lebih dikenal dengan istilah drainase yang dilakukan oleh manusia,baik pada instalasi drainase di tempat umum maupun instalasi drainase di rumah-rumah. Pengairan yang kurang baik membuat air terbuang secara tidak baik sehingga menyebabkan kerugian misalnya kerusakan bahan bangunan oleh tetesan air yang merembes di pipa. Oleh sebab itu, pemasangan instalasi drainase harus menggunakan perhitungan yang baik untuk mengurangi dampak negatif yang terjadi. Dalam ilmu fisika, cabang ilmu yang cocok untuk mengevaluasi apakah instalasi drainase telah dikatakan baik adalah Mekanika Fluida. Hal ini karena mekanika fluida merupakan cabang ilmu fisika yang mempelajari keseimbangan dan gerakan gas maupun zat cair serta gaya tarik dengan benda di sekitarnya yang dilalui saat mengalir serta membahas hukum keseimbangan dan gerakan fluida dan aplikasinya untuk hal-hal yang praktis. Adapun sasaran pokok dari cabang ilmu ini adalah aliran fluida yang dikelilingi oleh selubung, seperti misalnya aliran di dalam saluran-terbuka dan tertutup. Oleh sebab itu, penulis akan memaparkan bagaimana pengaplikasian ilmu mekanika fluida dalam memasang dan mengurangi dampak negatif terhadap pemasangan saluran air yang ada di rumah kita.

I. PENDAHULUANDasar teori mekanika fluida dan hidrolika kemudian menjadi baku setelah Daniel Bernoulli dan Leonhard Euler memperkenalkan ilmunya dalam abad XVIII. Kemudian Nikolai Joukowski yang interest dalam hidrolika berhasil menggabungkan hasil-hasil experiment dengan teori-teori yang telah ada se- hingga bermanfaat untuk keperluan penelitian dan aplikasi. Yang paling menarik dari penemuan Joukowski adalah teori tentang WATER HAMMER yang menyebabkan saluran-saluran pecah karena alat-alat ditutup mendadak (VALVE ; TURBINE GATES ;FAUCET) dan berbagai kasus dalam bangunan air; seperti teori aliran air-tanah ( GROUND WATER = PERCO-1LATION THEORY ). Oleh sebab itu,Mekanika fluida dijadikan sebagai objek dan media yang memiliki partikel-partikel dengan berbagai ragam gerakan relatifnya untuk meneliti baik atautidaknya aliran fluida yang terjadi padainstalasi drainase yang dibuat di rumah. Melihat sejarah dan pemanfaatan-nya, Mekanika Fluida merupakan cabang ilmu fisika yang tepat karena pada cabang keilmuan ini terdapat percabanganlagi yang membahas secara spesifik mengenai fluida, yakni Hidromekanika dan Hidrolika. Hidromekanika mempelajari keseimbangan dan gerakan gas maupun zat cair serta gaya tarik dengan benda di sekitarnya yang dilalui saat mengalir, sedangkan Hidrolika membahas hukumKeseimbangan dan gerakan fluida dan aplikasinya untuk hal-hal yang praktis. Kedua percabangan Mekanika Fluida ini memiliki sasaran pokok yakni aliran fluida yang dikelilingi oleh selubung, seperti aliran di dalam saluran-terbuka dan tertutup. Contohnya yaitu aliran pada sungai, terusan, cerobong dan pipa saluran nozzle serta komponen mesin hidrolik. Meskipun para fisikawan telah menemukan metode dan alat yang tepat, kendala dalam pengaplikasian instalasi drainase tetap saja ditemukan. Ini karena air merupakan fluida yang tentunya memiliki sifat khas fluida, yakni zat cair cenderung untuk mengumpul dan membentuk tetesan ( apabila jumlahnya sedikit ) dan jika dalam volume yang banyak ia akan membentuk muka bekas ( FREE SURFACE ). Sifat penting lainnya dari zat-cair, perubahan tekanan dan temperatur hampir atau sama sekali tak berpengaruh terhadap volume; sehingga dalam praktek zat cair dianggap bersifat INCOMPRESSIBLE. Ditambah lagi, aliran air dalam pipa merupakan Aliran Saluran Tertutup (Pipe Flow) yang cenderung memiliki aliran yang jauh lebih cepat dari Aliran Saluran Terbuka (Open Channel Flow) karena memiliki luas penampang yang berbeda sesuai dengan asas Bernoulli. Ini menye babkan rentannya instalasi drainase yang dibuat untuk mengalami kerusakan sehingga dalam skala yang besar akan merugikan masyarakat, terutama untuk instalasi drainase di tempat umum. Dalam skala kecil, ketidakakuratan pada perhitungan saat instalasi mengakibatkan air tidak mengalir secara maksimal karena berkurang oleh kebocoran yang terjadi. Kebocoran tersebut mengakibatkan ketidaknyamanan bagi penghuni karena air akan merembes dan merusak barang-barang yang tidak tahan air. Bahkan, kesalahan dalam perhitungan untuk memasang saluran drainase juga mengakibatkan dampak yang besar dalam skala yang lebih besar. Ini karena jika saluran drainase mampet akan mengakibatkan air buangan tidak terbuang secara lancar bahkan cenderung terhambat sehingga akan mengakibatkan banjir dan sumber penyakit bagi manusia. Dalam hal ini, kita memerlukan pengaplikasian mekanika fluida dalam mengevaluasi instalasi yang dibuat.

II. ISI

Menurut teori hidrolika, fluida adalah suatu kontinyum (CONTIN-UUM) yakni suatu bahan yang bersifat kontinu, berusaha menempati seluruh ruangan, dan tanpa ada yang kosong. Oleh karena itu, struktur molekuler dapat diabaikan sehingga fluida dengan partikel yang sangat kecil sekalipun mesti terbentuk dari molekul-molekul yang sangat banyak jumlahnya. Karena fluida selalu berusaha molor (YIELDS) walaupun tegangannya sangat kecil, ia tak bisa menimbulkan gaya yang ter pusat. Semua gaya-gaya yang diberikan padanya akan didistribusikan merata dalam seluruh volume (massa) atau searah dengan permukaannya. Jadi gaya luar yang bisa bekerja pada setiap volume fluida hanyalah gaya inersia (BODY FORCE) atau gaya permukaan (SURFACE FORCE). Dalam kehidupan sehari-hari, diperlukan instalasi yang tepat sehingga pada saat digunakan dapat meminimalkan terjadinya kebocoran yang disebabkan oleh sifat unik dari fluida. Berikut adalah salah satu contoh gambar untuk instalasi drainase yang dapat diaplikasikan dirumah. Pada instalasi ini, banyak dipakai sambungan yang berfungsi untuk membelokkan atau membagi aliran menjadi bercabang. Pembagian aliran fluida pada percabangan sendiri adalah suatu proses irreversibel dimana irreversibilitas ini di dalam aplikasi teknik akan menurunkan unjuk kerja dari sistem. Selama fluida mengalir melalui pipa banyak terjadi rugitekanan yang disebut rugi tekanan Major (Major Head loss) dan rugi tekanan Minor (Minor Head loss) (Mechanical Engineering Laboratory Spring Quarter,2003). Kerugian major adalah rugi tekanan yang terjadi karena gesekan fluida dengan dinding pipa dan kerugian minor adalah kerugian akibat fluida melewati sambungan. Aliran fluida yang terjadi pada instalasi ini adalah aliran turbulen. Aliran turbulen mempunyai koefisien gesek yang lebih tinggi dibandingkan dengan aliran laminar, tingginya koefisien gesek berpengaruh secara langsung pada besarnya penurunan tekanan dan pada akhirnya besarnya energi yang diperlukan untuk mengalirkan fluida (Indartono, 2006). Aliran ini mengalami regangan yang sebanding dengan VELOCITY GRADIENT dalam arah ? aliran fluida, yang dapat ditulis secara matem-atis melalui persamaan :

Apabila fluida mengalir melalui suatu percabangan maka akan terjadi separasi yang mengakibatkan terjadinya kerugian tekan. Menurut (Dwiyantoro,2004), Adanya percabangan pada alira fluida incompressible berakibat terganggunya aliran karena adanya separasi yang menyebabkan kerugian dari tekanan total. Kerugian ini terjadi karena adanya tegangan geser pada luas penampang. Bila tegangan geser merata pada luas penampang (S) maka regangan geser total (gaya gesek) yang bekerja pada luasan tersebut adalah :

Untuk Separasi dan Head loss pada pipa bengkok (Study of the Separated and Total Losses in Bend) telah diteliti oleh (Salem et-all, 2003): Bahwa kerugian gesek mayor mempunyai pengaruh signifikan pada kerugian gesekan total ketika perbandingan bend curvatur radius (r) dibanding bend diameter (D) diatas 0,92 dan koefisien kerugian dan separasi paling besar jika arah aliran berubah secara tajam dan radius curvature sama dengan nol. Separasi yang terjadi pada percabangan pipa mengakibatkan aliran menjadi turbulen, sehingga koefisien gesek menjadi tinggi dan menyebabkan penurunan tekanan yang akan berpengaruh pada energi yang dibutuhkan untuk Pompa. Seberapa besar pengaruh variasi sudut terhadap koefisien kerugian pada percabangan pipa. Dalam hal ini juga, terdapat perbandingan gaya-gaya yang disebabkan oleh gaya Inersia, gravitasi, dan kekentalan yang dikenal sebagai bilangan Reynolds (Re) yang dinotasikan dengan :

V : kecepatan rata-rata aliranl : Panjang aliran tertutupv : Viskositas kinematik (m2s ).Kekasaran pipa juga mempengaruhi aliran yang dialami oleh fluida pada saluran yang dinotasikan dengan :

L V 2D 2gUntuk mempermudah mengetahui kerugian akibat percabangan pipa, kita dapat menggunakan penelitian terhadap dividing derajat pipa sebagai acuan penilaian. Adapun penelitian koefisien keru- gian yang dilakukan pada pipa berdividing 45 tersaji dalam tabel 1. Pada bagian ini juga, terlampir contoh perhitungan untuk menentukan nilai k yakni sebagai berikut.

Koefisien kerugian total adalah penjumlahan antara koefisien kerugian tiap cabang. Dari hasil penelitian menun-jukan hasil yang sedikit berbeda, tetapi 4 tren grafik sudah menyerupai. Koe-fisien kerugian total paling besar diperoleh pada dividing 90, kemudian 60 dan 45. Hal ini disebabkan besarnya sudut percabangan yang mengakibatkan semakin besar tahanannya. Semakin besar sudut percabangan mengakibatkan semakin besar kerugian tekanan yang mengakibatkan nilai koefisien akan bertambah besar. Dari hasil penelitian sebelumnya juga menunjukan pernyataan yang sama. Bahkan dalam tabel kedua, hasil yang diperoleh dari penelitian yang dilakukan nilainya sudah mendekati.

Meskipun data yang ditampilkan akurat, tak dapat dipungkiri bahwa akan terjadi perbedaan ketika dilakukan kedua kalinya. Adapun perbedaan yang terjadi disebabkan oleh Jenis pipa uji yang digunakan dalam penelitian. Jenis fluida Pengukuran yang kurang presisi akibat dari fluktuasi tekanan. Variasi bilangan Re

Meskipun telah mengetahui tingkat kerugian dalam percabangan pipa, kita harus tetap memperhatikan sifat volume atur pada fluida. Ini karena fluida berusaha menjaga kekekalan massa, laju perubahan terhadap waktu dari massa kandungan volume atur ditambah dengan laju netto aliran massa melalui permukaan atur sehingga nilainya harus sama dengan nol. Adapun persamaan matematis yang menganalisa kecepatan volume atur fluida, yakni:

Sesungguhnya, hasil yang sama mungkin dapat diperoleh secara lebih langsung dengan menyamakan laju aliran massa ke dalam dan keluar volume atur dengan penumpukan atau pengurangan massa di dalam volume atur. Namun demikian, fakta bahwa teorema transport Reynolds berlaku dalam kasus sederhana yang mudah dimengerti ini kembali menambah keyakinan kita. Keyakinan ini akan sangat membantu kita dalam mengembangkan pernyataan volume atur untuk prinsip-prinsip penting lainnya. Dalam hal ini, tujuan yang ingin dicapai dalam penciptaan instalasi drainase ini adalah menciptakan suatu volume atur yang tepat untuk digunakan adalah yang tetap dan tidak berdeformasi. Dalam matematika, keadaan ini dapat dinotasikan dengan kombinasi persamaan sehingga didapat :

III. KESIMPULANMelalui paparan di atas, kita dapat menyimpulkan bahwa konsep Mekanika Fluida sangat tepat untuk diterapkan guna memasang dan mengurangi dampak negatif terhadap pemasangan saluran air yang ada di rumah kita. Oleh sebab itu, perancang model instalasi drainase harus menguasai konsep Mekanika Fluida dalam mengeval-uasi baik atau tidaknya sebuah instalasi drainase yang telah ia buat. Ini dimaksudkan agar meminimalisasi kesalahan pada pemasangan instalasi drainase serta cabang keilmuan ini dapat diaplikasikan dalam skala yang lebih besar, baik untuk keilmuan teknik seperti perpabrikan maupun dalam konservasi alam seperti saluran irigasi yang tidak mencemari lingkungan.